Недостаточная устойчивость полосы, характеризующаяся изменением заданного положения полосы, приводит к образованию разности диагоналей поперечного сечения раската, к его скручиванию [14, 19, 51-52]. Проблемы повышения устойчивости полосы в разное время изучались в работах [9-11, 13-19, 21-41, 50-71, 76]. Значительный вклад в изучение вопросов устойчивости полосы при бескалибровой прокатке и способов ее повышения внесли: А.Ф. Головин, И.М. Павлов, А.П. Чекмарев, Б.П. Бахтинов, М.М. Штернов, В.В. Швейкин, В.А. Тягунов, Ю.М. Чижиков, П.И. Полухин, Б.В. Мерекин, Н.Ф. Грицук, М.Я. Бровман, В.Н., Т. Янадзава, Чжан Вэйган, В.Н. Выдрин, Ф.С. Дубинский, К.Г. Шиколенко, Ф. Флеминг, В.С. Берковский, В.К. Смирнов, В.А. Шилов, Ю.В. Игнатович, В.А. Харитонов, Б.А. Никифоров, А.А. Морозов, Л.Е. Кандауров и другие отечественные и зарубежные исследователи. Проблема устойчивости полосы актуальна для любого способа прокатки, однако, при прокатке высокой полосы в условиях блюмингов и заготовочных станов она приобретает особо важное, определяющее значение. Понятию «высокая полоса» дается определение в работах [19, 54, 72-73]. Потеря устойчивости на готовой полосе выражается перекосом формы поперечного сечения (ромбичностью), которой предшествуют сваливание, а затем свертывание [54]. В работах [54, 63, 74] приведена классификация, описывающая состояние полосы с точки зрения ее потенциальной энергии при прокатке.
Устойчивость полосы при прокатке может быть:
естественной (если полоса имеет минимум потенциальной энергии), что достигается созданием соответствующих калибровок и режимов прокатки;
частичной или неполной, зависящей от сочетания конкретных условий прокатки;
искусственной (при максимуме потенциальной энергии), при которой устойчивое положение полосы достигается применением специальных устройств – валковой арматуры.
В большинстве исследований показателем устойчивости полосы при прокатке в гладких валках является ромбичность раскатов. Для ее оценки и анализа при различных условиях прокатки рядом авторов предложено несколько показателей. На рис.1.2. показаны геометрические параметры поперечного сечения полосы, позволяющие численно выразить приведенные ниже показатели.
В работе [66] отмечается особая роль скрещивания осей валков на возникновение ромбичности полосы, однако аналитические зависимости отсутствуют. Также следует отметить, что современные конструкции прокатных клетей, подшипниковых узлов, а также методы контроля практически исключают скрещивание осей валков. И.М. Павлов [55] и В.Е. Грум-Гржимайло [81], анализируя потерю устойчивости полос, в качестве первопричины выдвигают неравномерный нагрев слитков по длине и по поперечному сечению, что обуславливает неоднородные пластические свойства и, как следствие, неравномерное уширение. Б.Е. Хайкин экспериментально изучал влияние неоднородности материала и дефектов полосы на ее устойчивость в очаге деформации, однако присутствие этих факторов на практике учесть практически невозможно. Кроме того, уровень современного развития технологии металлургии наличие современных методов входного контроля прокатки позволяет влияние этих факторов не учитывать. Авторы многих исследований однозначно отмечают негативное влияние на устойчивость высокой полосы при прокатке в гладких валках исходной ромбичности полосы, однако количественные характеристики в различных работах имеют значительные расхождения.
Влияние факторов второй группы на искажение формы поперечного сечения полосы в литературе оценивается неоднозначно и поэтому, вызывая особый интерес, требует более подробного рассмотрения. При этом следует учитывать, что их влияние на устойчивость полосы в калибре, а следовательно и на искажение формы поперечного сечения полосы, как правило, рассматривается не суверенно, а в комплексе из группы факторов. Влияние отношения высоты подката H к его ширине B (H/B) на ромбичность полосы рассмотрено в работах [14, 31, 32, 78, 48, 82]. В перечисленных работах для обеспечения устойчивого положения полосы в валках рекомендуется вести прокатку при H/B=1, 5…2, 5. В то же время в работах [33, 47] на основании экспериментальных данных делается вывод, что полоса теряет устойчивость при Н/В>1, 5. Также отмечается, что при H/B>>1, 5 возможно двойное бочкообразование, приводящее в дальнейшем к появлению морщин в последующих проходах.
По патенту [40] соотношение сторон заготовки в промежуточных проходах может достигать В/Н=3, 5…6, однако ее прокатка в ребровом положении должна вестись с применением мелкого закругленного калибра от соотношения Н/В=3, 5..6 до соотношения h/b=1, 5..3, 5. В работе [42] рекомендованное соотношение Н/В составляет 2..5. Обжатия, как единичные так и суммарные, назначаемые при бескалибровой прокатке, соответствуют соотношению сторон поперечного сечения полосы до и после прокатки. В работах [19, 83] описаны реализованные режимы БКП с единичным обжатием e=46…49%. При этом получены раскаты правильной геометрической формы. В работе [40] рекомендуются обжатия 60 и более процентов. Вместе с тем, исследования качества металла полученного прокаткой высоких полос в гладких валках показали, что «…обжатия не должны превышать 40..45%, в противном случае на свободной поверхности возникают растягивающие напряжения, способствующие развитию дефектов» [9]. По рекомендациям работы [19] единичные обжатия не должны превышать 43%.
С целью обеспечения устойчивой прокатки высокой полосы в гладких валках в работе [42] рекомендуется при соотношении сторон Н/В=2, 0..5, 0 производить прокатку в валках, у которых диаметр составляет D=0, 8Н. Отмечается, что наряду с хорошим качеством раскатов при таком диаметре валков прокаткой до h/b=0, 2..1, 0 достигается величина вытяжки до 2, 5. В работе [84] диаметр D рекомендуется выбирать по эмпирическим зависимостям исходя из конкретных размеров полосы без учета соотношения H/B. Влияние кривизны контактной поверхности подката на устойчивость полосы, а, следовательно, и на ромбичность проката оценивается крайне неоднозначно. Если в работах [14, 85, 19] отмечается значительное влияние (но в разной степени) этого фактора, то в [73, 75] влияние этого фактора не обнаружено. Настройка валковой арматуры сводится к обеспечению зазора между полосой и удерживающими элементами арматуры. Большинство исследователей [18, 14, 16, 86] полагают, что зазор между свободной поверхностью полосы и удерживающими элементами арматуры должен составлять минимально возможную величину. Критическим считается зазор, позволяющий заготовке поворачиваться относительно продольной оси более чем на 3°-5°.
В работах [18, 19, 87], описан эксперимент, проведенный с целью оценки влияния на устойчивость полосы технологических параметров и вводной проводковой арматуры. Опытная прокатка, в которой принимал участие автор настоящей работы, проводилась на лабораторном прокатном стане. На первом этапе прокатывались клиновые свинцовые образцы при h0/b0=1…2, 25 и D/h0=6, 67…15, 04. Максимальные обжатия достигали e=0, 69. Экспериментальная прокатка клиновых свинцовых показала положительное влияние удерживающей проводковой арматуры, однако, закономерности, позволяющие конструировать поводковую арматуру, получены не были. На втором этапе экспериментов на лабораторном прокатном стане с диаметром бочки валков D=255 мм с использованием планируемого эксперимента прокатывались стальные образцы. Варьируемые факторы изменялись в следующих пределах: h0/b0=1, 2…2, 8, Dh/h0=0, 2…0, 4, D/h0=5…11, h0/r=0, 0…0, 4, t/h0=0, 015…0, 078. Прокатка проводилась с применением удерживающей проводковой арматуры специальной конструкции. Полученные экспериментальные данные второго этапа позволили получить регрессионное уравнение для прогнозирования перекоса сечения полос, прокатываемых методом БКП. Закономерности, позволяющие конструировать проводковую арматуру, в перечисленных работах не описаны. Приведенные выше условия устойчивой прокатки полосы, обеспечивающие прокатку качественной продукции с применением БКП, получены для разного количества факторов. В ряде работ остается неясным диапазон их изменения. Наиболее информативными можно считать работы Л.Е. Кандаурова [18, 19, 87]. В них исследовался процесс БКП при e=0, 2…0, 4. Указанный диапазон ниже применяемого в промышленных условиях и рекомендованного в целом ряде источников. Изложенное позволяет считать необходимым проведение дополнительных экспериментов с расширенным диапазоном обжатий.
2. Существующие конструкции валковой арматуры для реализации бескалибровой прокатки
Как отмечалось ранее, прокатка высоких полос в гладких валках производится с применением специальной удерживающей проводкой арматуры. В работе [28] отмечается, что "...разработка режимов бескалибровой прокатки не вызывает трудностей, но получение качественного проката невозможно без применения специальной удерживающей вводной проводковой арматуры, обеспечивающей устойчивое положение полосы при прокатке". Такая же роль вводной проводковой арматуре отводится и в исследованиях [9, 85].
Конструкции проводковой арматуры, применяемые при прокатке высоких полос в гладких валках достаточно полно описаны в работе [91] и характеризуются тем, что все обычные требования, такие как обеспечение соосности оси раската с линией прокатки и предотвращение поворота полосы относительно оси прокатки, присущие традиционной прокатке в калибрах [19, 51, 86, 91], должны выполняться более тщательно, точно и надежно. При традиционной прокатке в калибрах высокой полосы ее устойчивое положение обеспечивают боковые стенки калибра, взаимодействующие с полосой непосредственно в очаге деформации. Отсутствие ручьев при БПК восполняется дополнительными конструктивными элементами вводной проводковой арматуры: удерживающими элементами, расположенными непосредственно в межвалковом зазоре и взаимодействующими с прокатываемой полосой, чем достигается устойчивое и стабильное положение раската непосредственно в очаге деформации. Отсутствие удерживающих элементов приводит к потере устойчивости полосы, ведет к серьезным искажениям формы поперечного сечения раскатов и даже делает дальнейшую прокатку невозможной. Большинство применяемых в настоящее время конструкций являются проводками скольжения, которые можно не только максимально приблизить к очагу деформации, но и устанавливать непосредственно в межвалковом зазоре.